專利名稱：一種大型鋼錠偏析的研究方法
技術領域：
本發明涉及一種大型鋼錠偏析的研究方法，具體地說是一種包含大型鋼錠所 有類型偏析的小型鋼錠制造工藝。
技術背景近年來隨著我國電力工業，核工業和石油化學工業的訊猛發展，對大型鑄鍛 件的需求量越來越大，同時也對大型繊件的品質要求艦越高。大型鋼錠是大 型鑄鍛件的先期產品，其質量及使用率尤其重要。而大型鋼錠宏觀偏析的存在不 但嚴重降低鋼錠的品質，而且大大減少鋼錠使用率由于鋼錠不同區域化學成分 不均勻，鋼錠的后續處理通常是X寸鋼錠砍頭(頂部)去尾(底部)，只取中部成 分較為均勻部分。大型鋼錠的宏觀偏析問題倍受全世界冶金科研工作者關注。幾十年^X寸大型 鋼錠宏觀偏析形成機理的研究表明大型鋼錠凝固過程中，高溫金屬液在^/固兩 相區經歷時間非常長，根據鋼錠噸位不同，幾小時到上百小時不等；在這期間， 由于枝晶微見偏析和熱-溶質對流的共同作用，使碳、磷等低熔點、低密度元素溶 質再分配，致使鋼錠不同區域的成分各不相同。對于大型鋼錠宏觀偏析抑制的研究有兩方面其一，通過計算機先模擬偏析 形成，再在計算機平臺上找出抑制偏析的方法，但到目前為止，偏析模擬結果與 實際有很大的出入；其二，在工廠里直接制作大型鋼錠研究偏析形成，再來嘗試 各種抑制偏析方法，但鋼錠柳屯位一般要在10噸以上，耗資巨大，實驗周期長， 不易實施，顯然不能被研究機構和工廠所采用。發明內容本發明的目的在于提供一種大型鋼錠偏析的研究方法，它是包含大型鋼錠所 有類型偏析的小型鋼錠制造工藝，解決了只有大型鋼f財能形成有效偏析，小型 鋼錠沒有偏析或偏析不明顯的問題；采用先進的冶煉技術和澆注系統設計生產出 了包含所有類型偏析，而沒有其它鑄造缺陷的小鋼錠。本發明以保持鋼錠金屬液長時間凝固為依據，所設計的包含大型鋼錠所有類型偏析的小型鋼錠可在實驗室 條件下進行，費用低，實驗周期短，可為研究抑制宏觀偏析的方法提供載體。 本發明的技術方案是-本發明開發了大型鋼錠偏析的研究方法，制造包含大型鋼錠所有類型偏析的 小型鋼錠，包括如下步驟1) 鋼錠模材料為硅砂；2) 冒口采用保 顯冒口，冒口高徑比為1:3-1:2，這里的冒口直徑是指冒口平均 直徑；3) 鋼錠的高徑比為2:1-2.5:1，這里的鋼錠直徑是指鋼錠平均直徑；4) 鋼錠材質為45號中碳普碳鋼；5) 鋼水高溫出爐，出爐溫度為1620-1640°C，澆注溫度為1590±10°C，澆注 之前在型腔中充氬氣，在氬氣保護下進行澆注；6) 鋼錠澆注結束后8-9小時之間打箱。本發明所用45號中碳鋼化學成分包括C 0.40-0.50%， Si 0.20-0.25%， Mn 0.50-0.70%， P《0.02%， 0.01%《S《0.02%，余量為Fe和其他不可避免的殘余元 素(如Cr， Mo， Ni， Al和Cu等)。本發明冒口采用普通保溫冒口，冒口高徑比為1:3-1:2，保溫冒口上小下大， 材料為優質耐火材料高鋁磚、剛玉、莫來石、鎂磚、鋁鎂制品或硅酸鋁保溫材 料等。本發明采用鎂砂粉涂料刷鋼錠型腔，涂料厚度為0.5-0.7mm;鋼錠砂型預熱 溫度不低于20(TC。本發明根據流量相等的原則設計無氣隙平穩充型澆注系統，使澆道保持充滿 狀態；該澆注系統包括澆口杯及與之相連的直澆道和橫澆道，所述橫澆道為偏心 結構，內澆口偏于鋼錠型腔中心，直澆道為上大下小流線型結構。本發明中所述的大型鋼錠的規格范圍是10噸~400噸之間各禾中高徑比、以 及各種材質的鋼錠。本發明中所述的小型鋼錠的規格范圍是500公斤以下各種高徑比、以及各 種材質的鋼錠。本發明具有如下有益效果1.本發明工藝設計合理，采用了自然流平穩充型澆注系統，在澆注過程中采用了氬氣保護澆注，減少了二次氧化夾雜和巻氣等缺陷，減少了鋼錠缺陷，會g夠 更好地研究偏析的形成。2. 本發明利用砂型熱傳導率低，保溫時間長的特點，再運用合理的冶煉工藝 保證鋼水的碳、硫的適當含量，使小鋼錠內部形成所有類型的宏觀偏析，同時實 現了材料的純凈化、消除了縮孔、疏松等缺陷。3. 本發明適用于各種材質和重量小型鋼錠的制造。禾U用本發明生產的小鋼錠 具有偏析類型完全、低成本、周期短的特點，很容易得到廣大研究機構和工廠認 可， 一旦被廣泛采用，貝何大大加快大型鋼錠宏觀偏析的研究進展，那將有幾十 到幾百個億的效益。4. 本發明設計了澆注系統、保溫冒口、鋼錠和鋼錠模材質以及鋼錠的高徑比， 有效地在小型鋼錠內部實現了大型鋼錠所具有的全部宏觀偏析類型，澆注過程中 采用了氬氣保護，防止了巻氣和夾雜，通JlX寸關鍵工藝參數的設計，保證了除宏 觀偏析外沒有其它鑄造缺陷的鋼錠，用于大型鋼錠偏析的研究。


圖1大型鋼錠宏觀偏析示意圖；圖2小型鋼錠中間截面整體硫印圖；圖3小型鋼錠中間截面金相試樣的取樣示意圖；圖4(a)-圖4((1)小型鋼錠中間截面各部位金相圖；圖4(a)為11位置；圖4(b) 為12位置；圖4(c)為13位置；圖4(d)為14位置。圖5問-圖5(b)本發明工藝示意圖；圖5(a)為主視圖；圖5(b)為立體圖。 圖6采用本發明生產的低偏析鋼錠鑄造毛坯； 圖7凝固過程中;M^場模擬結果圖； 圖8充型過程中流場模擬結果圖；圖9凝固時間模擬結果圖; 圖IO不同澆注速度小型鋼錠的中間截面整體硫印圖。 具體實1 式本發明大型鋼錠偏析的研究方法如下1、本發明所采用的鋼錠材質為普通中碳鋼45號鋼，其成分要求為C 0.40-0.50%， Si 0.20-0.25%， Mn 0.50-0.70%， P《0.02%， 0.01%《S《0.02%，余量為Fe和其他不可避免的殘余元素(如Cr， Mo， Ni， Al和Cu等)。其中，C含量高于0.40%、 S含量高于0.10%可保證在硫印圖中清晰地顯現各種類型偏析， 因為鋼中的硫以MnS或FeS的形式存在，硫印時硫化物與相紙上的醋酸接觸后 通過下列反應生成H》FeS+H2S04—>FeS04+H2S MnS+H2S04—>MnS04+H2S 生成的H2S又與相紙上的AgBr起作用H2S+2AgB「>2HBH"Ag2S I 生成的Ag2S沉淀即是相紙上的棕褐色斑點，所以較高的S含量可以保證清晰的 硫印圖片。2、采用高品質保溫冒口使鋼錠頂部鋼水保持高溫，不僅有利于保持鋼錠頂部 溫度，使冒口金屬，CT鋼錠本體進行補縮，避免縮 L疏松產生，還可以延長整個 鋼錠的凝固時間，使鋼錠充分形成偏析。保溫冒口尺寸由計算機模擬軟件計算后 得到，冒口盡量取最大值。同時為保證鋼錠盡量長的凝固時間，采用較高的出爐 》，的鋼水，出爐溫度為1590士10。C，在保證鋼錠質量的其他上盡可能延長凝固 時間，使C、 S等低密度，低熔點溶質充分再分配。圖1為大型鋼錠宏觀偏析示意圖；宏觀偏析普遍存在于各種材質柳屯位的鋼 錠中，如圖1所示，宏觀偏析包括正偏析帶VI，鋼錠頂部正偏析(冒口偏析IV)， 底部負偏析(負偏析沉積堆III),中部"V"型正偏析II和周圍"A"型正偏析I 。 宏觀偏析的形成原因主要是鋼錠凝固時間過長，噸位越大的鋼錠其偏析程度越大， 這種宏觀偏析不能通過熱處理工藝來消除。圖2為采用本發明工藝制作的小型鋼錠的中間截面整體硫印圖。如圖2所示， 可以清晰看到小型鋼錠頂部為黑色(由于該區域含碳量較高，而碳被酸腐蝕后 基體呈現為黑色，以下皆同)的正偏析，底部為白色(由于該區域含碳量樹氐， 被酸腐蝕的區嫩艮少，所以基體呈現為白色，以下皆同)的負偏析，中部為黑色 "V "型正偏析和鋼錠邊緣黑色"A"型正偏析帶。 .如圖3所示，在鋼錠中間截面各典型部位取金相試樣。其中，鋼錠中間部位 可能出現"V "型偏析處(其編號為12)，鋼錠可能出現"V "型偏析下方100mm 處(其編號為11)，鋼錠可能出現"V"型偏析上方100mm處(其編號為13)， 鋼錠邊界可能出現"A"型偏析處(其編號為14)。由圖4(a)可見，編號ll位置 晶粒很大，晶粒尺寸為10mm以上，晶界清晰，晶粒內充滿針狀鐵素體。經過計算編號11位置的鐵素體所占體積分數超過80%，根據平衡相圖計算，含0.45%wtC 的鋼中鐵素體體積分數43%，由此可知，鋼錠在這個位置己經形成明顯的碳元素 負偏析。由圖4(b)可見，編號12位置包括兩部分，上部存在明顯的"V"型偏析， 晶粒尺寸為10mm左右，晶粒鐵素體稀少，數量約占整個晶粒15%不到，形成明 顯的碳元素正偏析；下部晶粒更為粗大，晶粒尺寸大于15mm，晶粒內充滿針狀 鐵素體，約占整個晶粒數量的75%以上，形成碳元素負偏析；"V"型偏析區域邊 界存在著過渡區域，晶粒內的鐵素體由多到少。由圖4(c)可見，編號13位置晶粒 尺寸較前兩個位置小，為3mm左右，晶粒內鐵素體比編號11位置少，為正偏析。 由圖4(d)可見，編號14位置上，鋼錠邊界為細等軸晶粒，主要由鐵素體構成，其 厚度約lmm左右，而與鋼錠邊緣層相連的晶粒明顯增大，晶粒尺寸約為4mm， 晶粒內彌散分布少量鐵素體；距離鋼錠邊界50mm以上區域，隨著向鋼錠中心線 靠近，晶粒內鐵素體逐漸增多，與編號ll位置的組織狀態相同，由此可見，在鋼 錠邊界處形成了 "A"型偏析帶。綜上所述，整個鋼錠中間截面的碳含量分布相 差很大，整個鋼錠的包含了所有圖1中的所有類型偏析。澆注系統采用自然流平穩充型澆注系統，并且采用氬氣保護澆注，可以有效 地避免巻氣、二次氧化夾雜，減少鑄件缺陷，以免影響偏析的研究。3、大型鋼錠偏析的研究方法的主要工藝參數(1)鋼錠模材料為硅砂，鋼錠 周圍砂型厚度大于400mm; (2)冒口采用保溫冒口，上小下大，冒口高徑比為 1:3-1:2，由計算機專用軟件計算后取最優值；(3)鋼錠的高徑比為2:1-2.5:1，由計 算機專用軟件計算鋼錠流場、淘度場和凝固時間后取最優值；(4)鋼錠材質為45 號普碳鋼；(5)嚴格控制澆注溫度，高溫出爐，出爐溫度為1620-1640°C，保證澆 注溫度為1590士10。C，澆注之前在型S空中充氬氣，在氬氣保護下進行澆注；(6)鋼 錠澆注結束后8-9小時之間打箱。如圖5(a)-圖5(b)所示本發明工藝方案簡圖，1為鋼錠；2為砂型；3為保溫冒口； 4為保溫冒口套；5為澆口杯；6為直澆道；7為橫澆道；71為內澆口； 8為鋼錠型腔。其主要結構如下砂型2頂部設置形成保溫冒口3的保溫冒口套4， 砂型2內的鋼錠型腔8形成鋼錠1，砂型2 —側設置澆注系統，該澆注系統包括 澆口杯5及與之相連的直澆道6和橫澆道7，所述橫澆道7為偏心結構，內澆口 71偏于鋼錠型腔8中心，直澆道6為上大下小流線型結構。本發明根據流量相等 的原則設計無氣隙平穩充型澆注系統使澆道保持充滿狀態；具體為1) 直澆道6為上大下小流線型結構，根據流量相等的原則，計算直澆道的尺 寸，再通過計算機充型模擬來檢驗設計的合理性。2) 根據平穩充型的原則設計橫澆道。橫澆道7與鋼錠型腔8相切連接，即偏心結構的橫澆道，金屬液在進入鋼錠型腔過程中不產生飛濺現象，也有利于金屬 液充型平穩。
詳見中國發明專利申請(公開號CN1552542A) —種無氣隙平穩充型澆注設 計方法及所用澆注系統。下面結合附圖及實施例詳述本發明。如圖5(a)-圖5(b)所示，鋼錠模材料為水玻璃砂，鋼錠的高徑比為2:1，冒口 采用保溫冒口，冒口高徑比為1:3;鋼水高溫出爐，出爐溫度為1630°C，嚴格控 希ij碳、硫含量，O0.40%， S>0.01%，澆注金屬液重量0.5噸，澆注時間35秒， 翻包澆注，澆注溫度1595i:，澆注之前在型腔中充氬氣，在氬氣保護下進行澆注， 按重量百分比計，45號鋼成分為:C0.40%， Si0.20%， Mn0.56%， P0.016%， S 0.011%， Cr0.070%， Mo0.011%， Ni0.03%， Fe余量；澆注完畢后，于冒口上方 填充保溫覆蓋劑；鋼錠澆注結束后8小時打箱。打箱后保持其鑄造狀態進行硫印 和低倍金相試驗。 '小型鋼錠鑄態硫印試驗結果如圖2所示；低倍金相試驗結果如圖3所示，可 以看出，所有類型的偏析"V"型偏析、"A"型偏析、頂部正偏析和底部負偏析， 都在小型鋼錠的中間截面上呈現。圖6為采用本發明生產的低偏析鋼錠鑄造毛坯。本發明采用專用鑄造過程模擬軟件ProCAST進行^^場、流場以及鑄件缺陷 的模擬，如圖7所示凝固過程中^jt場模擬結果；如圖8所示充型過程中流場模 擬結果；如圖9所示凝固時間模擬結果。實施例2與實施例1不同之處是如圖5(a)-圖5(b)所示，鋼錠模材料為樹脂自硬砂，鋼錠的高徑比為2.5:1， 冒口采用保溫冒口，冒口高徑比為1:2.8;鋼水高溫出爐，出爐溫度為164(TC，嚴 格控制碳、硫含量，C》0.40%， S>0.01%，澆注金屬液重量0.5噸，澆注時間61 秒，翻包澆注，澆注溫度160(TC，澆注之前在型腔中充氬氣，在氬氣保護下進行澆注，按重量百分比計，45號鋼成分為C 0.451%, Si 0.24%, Mn 0.64%， P 0.019%， S 0.014%， Cr0.072%， Mo 0.013%， Ni0.04%， Fe余量；澆注完畢后，于冒口上 方填充保溫覆蓋劑；鋼錠澆注結束后9小時打箱。打箱后保持其鑄造狀態進行硫 印試驗。圖10不同澆注速度小型鋼錠的中間截面整體硫印圖，可以清晰地觀察到各種 類型的偏析"V"型偏析、"A"型偏析、頂部正偏析和底部負偏析。利用本發明進行大型鋼錠偏析的研究，在冶煉過程中，加入適量合金元素， 細化了晶粒；利用平穩充型澆注系統的澆口杯，在澆注過程中，采用氬氣保護， 減少了巻氣和二次氧化夾雜；采用合適的冒口尺寸和保溫材料，有效地完成了鋼 錠補縮，使鋼錠沒有縮孔、疏松缺陷。實施例3與實施例1不同之處是如圖5(a)-圖5(b)所示，鋼錠模材料為粘土砂，鋼錠的高徑比為2.2:1，冒口 采用保溫冒口，冒口高徑比為1:2;鋼水高溫出爐，出爐溫度為1620。C，嚴格控 制碳、硫含量，O0.40%， S>0.01%,澆注金屬液重量0.5噸，澆注時間42秒， 翻包澆注，澆注^it 1590°C，澆注之前在型腔中充氬氣，在氬氣保護下進行澆注， 按重量百分比計，45號鋼成分為C0.50%， Si0.22%， Mn0.50%， P0.018%， S 0.018%, Cr0.075%， Mo 0.015%， M0.02%， Fe余量；澆注完畢后，于冒口上方 填充保溫覆蓋劑；鋼錠澆注結束后9小時打箱。打箱后保持其鑄造狀態進行硫印 試驗。本發明工作過程及結果由于本發明釆用砂型取代金屬模，在冶煉過程中進行了精煉和合金化，在澆 注過程中進行氬氣保護，并且應用了平穩流充型澆注系統，金屬液充型平穩，保 證了金屬液的純凈；禾傭計算機模擬技術設計的冒口和鋼錠高徑比有效地起到了 延長鋼錠凝固時間和補縮作用，生產出了沒有其它鑄造缺陷、包含各種類型偏析 的鋼錠。本發明獲得的包含大型鋼錠所有類型偏析的小型鋼錠，可以之為標準鋼ia 觀偏析載體，鄉行各種抑制宏觀偏析的試驗，如電磁攪拌、外部快速冷卻、振 動鋼錠模和內部快速冷卻等方法，與大型鋼錠偏析試驗相比，更具有可靠性高、 費用低、周期短、成效好等優點；因為大型鋼錠產生宏觀偏析的基本原因是鋼錠幾何尺寸較大，凝固時間較長，枝晶榜1M偏析充分，在熱-溶質自然對流的作用 下，碳、磷等低熔點、低密度成分溶質充分再分配，致使鋼錠不同區域的成分各 不相同；本發明的小鋼錠其鋼錠模是砂模，而不是大型鋼錠所常用的金屬模，所 以小鋼錠的凝固時間，凝固方式、鋼錠內部金屬液的流動與大型鋼錠是完全一致的，其所獲得的宏觀偏析類型和分布形態也是一致的；以本發明獲得的小鋼錠進行抑制偏析研究比以氯化銨水溶液、鉛錫合金等類比實驗，更具有真實性和實用 性。比較例鋼錠液態金屬的重量5噸，鋼錠模為金屬模，沒有保溫冒口，澆注時沒有打 氬氣，澆注溫度158(TC，頂注；鋼錠解剖后沒有發現明顯的宏觀偏析現象。權利要求
1. 大型鋼錠偏析的研究方法，其特征在于，制造包含大型鋼錠所有類型偏析的小型鋼錠，包括如下步驟1)鋼錠模材料為硅砂；2)冒口采用保溫冒口，冒口高徑比為1∶3-1∶2；3)鋼錠的高徑比為2∶1-2.5∶1；4)鋼錠材質為45號中碳普碳鋼；5)鋼水高溫出爐，出爐溫度為1620-1640℃，澆注溫度為1590±10℃，澆注之前在型腔中充氬氣，在氬氣保護下進行澆注；6)鋼錠澆注結束后8-9小時之間打箱。
2、 按照權利要求1所述的大型鋼錠偏析的研究方法，其特征在于鋼錠模材 料為硅砂包括粘土砂、水玻璃砂或樹脂自硬砂。
3、 按照權利要求1所述的大型鋼錠偏析的研究方法，其特征在于，按重量百 分比計，鋼錠用45號中碳鋼化學成分包括C 0.40-0.50%， Si 0.20-0.25%, Mn 0.50-0.70%， P《0.02%， 0.01%《S《0.02%,余量為Fe和其它不可避免的殘余元 素。
4、 按照權利要求1所述的大型鋼錠偏析的研究方法，其特征在于冒口采用 保溫冒口，冒口高徑比為1:3-1:2，保溫冒口上小下大，材料為優質耐火材料高 鋁磚、剛玉、莫來石、鎂磚、鋁鎂制品或硅酸鋁保溫材料。
5、 按照權利要求1所述的大型鋼錠偏析的研究方法，其特征在于采用鎂砂 粉涂料刷鋼錠型腔，涂料厚度為0.5-0.7mm。
6、 按照權利要求1所述的大型鋼錠偏析的研究方法，其特征在于鋼錠砂型 預熱Mit不低于20(TC。
7、 按照權利要求1所述的大型鋼錠偏析的研究方法，其特征在于根據流量 相等的原則設計無氣隙平穩充型澆注系統，使澆道保持充滿狀態；該澆注系統包 括澆口杯及與之相連的直澆道和橫澆道，所述橫澆道為偏心結構，內澆口偏于鋼 錠型腔中心，直澆道為上大下小流線型結構。
全文摘要
本發明涉及一種大型鋼錠偏析的研究方法，具體地說是一種包含大型鋼錠所有類型偏析的小型鋼錠制造工藝，包括如下步驟1)鋼錠模材料為硅砂；2)冒口采用保溫冒口，其高徑比為1∶3-1∶2；3)鋼錠的高徑比為2∶1-2.5∶1；4)鋼錠材質為45號中碳鋼；5)鋼水高溫出爐，澆注溫度為1590±10℃，澆注之前在鋼錠型腔中充氬氣，在氬氣保護下進行澆注；6)鋼錠澆注結束后8-9小時之間打箱。本發明設計了澆注系統、保溫冒口、鋼錠和鋼錠模材質以及鋼錠的高徑比，有效地在小型鋼錠內部實現了大型鋼錠所具有的全部宏觀偏析類型，澆注過程中采用了氬氣保護，防止了卷氣和夾雜，通過對關鍵工藝參數的設計，保證了除宏觀偏析外沒有其它鑄造缺陷的鋼錠。
文檔編號C22C38/04GK101256124SQ200810010340
公開日2008年9月3日 申請日期2008年2月3日 優先權日2008年2月3日
發明者傅排先, 夏立軍, 康秀紅, 李依依, 李殿中, 陳露貴 申請人:中國科學院金屬研究所